Disc friction loss in centrifugal pumps and hydraulic turbines

Dizertační práce je zaměřena na výzkum proudění v mezidiskových spárách hydraulických strojů s důrazem na čerpadla s nízkými specifickými otáčkami. Navzdory tomu, že tekutina v mezidiskových prostorách čerpadel zaujímá velmi malý objem, může výrazně ovlivnit proudění v celém stroji. To má následně vliv na provoz, charakteristiky a celkovou účinnost, zvlášť v případě čerpadel s nízkými specifickými otáčkami, protože stav proudění určuje vznikající diskové ztráty. Rovněž ovlivňuje rozložení tlaku a tím výslednou axiální sílu. Porozumění proudění v mezidiskových spárách je zatím omezené, současné poznatky vychází z teorie odvozené pro značně zjednodušený případ disku rotujícího v hladké válcové spáře. Použitelnost pro popis proudění ve skutečných hydraulických strojích je diskutabilní. Za účelem výzkumu proudění v reálném odstředivém čerpadle bylo navrženo a sestaveno experimentální zařízení umožňující pozorování proudění v zadní mezidiskové spáře pomocí optických metod, měření krouticího momentu a vznikající axiální síly. Také byla popsána metodika pro numerické simulace tohoto druhu proudění umožňující podchytit nestability a vírové struktury. Numerické simulace vhodně doplňují experimentální měření, rozšiřují rozmezí studovaných provozních podmínek a pomáhají popsat jevy, které by šlo měřením jen obtížně odhalit.
The thesis deals with an experimental and numerical study of the flow in sidewall gaps of hydraulic machines with a focus on low specific speed pumps. Although the fluid which fills the sidewall gaps represents only a very small portion of the whole volume of the machine, it can have a great impact on the flow in the whole domain. It can significantly influence the behavior, characteristics, and overall performance, especially in the case of low specific speed machines since it determines disk friction. The flow field in sidewall gaps also influences the pressure distribution inside a machine and thus generates axial thrust. The understanding of the flow in these regions is limited since it is based on the theory obtained for simplified geometry and its application in turbomachinery is questionable. In order to investigate the flow in the sidewall gaps of centrifugal pumps, a test rig including a real impeller has been designed and built up. It enabled observation of the flow in the backside wall gap for various operational regimes including optical measurement of velocity profiles, measurement of axial thrust, and frictional torque. A method for precise numerical simulation of such type of flow was developed to help reveal phenomena, which are not observable in the experimental apparatus and to extend the research to a wider range of operating conditions.